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如何延展你的數據中心多模光纖網絡

光纖在線編輯部  2016-04-11 10:04:55  文章來源:綜合整理  版權所有,未經許可嚴禁轉載.

導讀:


1.前言

    多模光纖依然是數據中心中首選的較為經濟的布線介質,這是由于數據中心中那些相對較短鏈路都在利用低成本收發器所帶來的優勢。當多模光纖成為經濟性的首選時,對于那些可能存在的較長的鏈路(如大于300米)和需要多個連接(增加插入損耗)的情形,它可能被認為有局限性,在本文中,我們將主要對那些超出通道長度和損耗的標準規定的可能性進行一些討論。

衰減與帶寬相互依存的類比論證

    在文章中的字詞可以被大腦解讀,黑色的曲線和直線的形狀(文字)一定是可辨識的。為了使其發生,需要具備兩個基本要求:文字必須足夠亮,這樣他們可以到達眼睛中的傳感部位,和圖像必須聚焦,大腦可以識別形狀。將其類比為這三個過程:1) 將這些字符認為是類似于光纖中的光脈沖(信息);2)眼睛對光亮度的依賴關系,像接收機的靈敏度和信號衰減的影響(信號強度)和3)焦距或由于帶寬限制帶來相關畸變而在接收機形成的合成信號的模糊圖像 (信號純度)。



    在我大部分時間都有很好的視力之后,45歲時候,我開始面臨遠視的困擾(不能近距離地聚焦在某一事物上,也就是,我需要老花鏡)。第一次注意到這個情形是由于我在設法通過CD上的版權日期以確認歌曲專輯的登記日期,我需要將CD移至遠離我正常的閱讀距離,才能實現文字的聚焦。近期則更多的是與我工作有關的,當我在與各種的光纖連接器或微小導管等產品工作時,我感受到了“無法將光纖與細小的孔徑配合”的綜合征。

    有些聚焦問題是可以使用更明亮些的補償光源(照明燈),不過,這種增加光源的補償方式對于聚焦問題的幫助也是有限的。增強亮度是選擇方法之一,我可能還需要做的是將目標移動到適當的焦距位置(如同我看CD 盒一樣)。對于任何一個有遠視的人都知道,確保能夠看得清楚的解決方案,需要采取以下的一種措施:

    1) 調整光源亮級以及眼睛和目標物體間的距離直到找到看得清楚的最佳位置。

    2) 買付眼鏡!

    就像是光強度和眼睛焦距的關系一樣,在逐漸衰減的信號強度(多數是因為光纖和連接器的衰減)和光纖的距離限制(多數是由于光纖的帶寬)之間也存在類似的關系,特別是對于不斷提高的傳輸速度,為數不多的解決方案是:

1) 提高光脈沖的強度和/或縮短光源和光接收機之間的距離以確保正常工作狀態。

2) 升級你的系統!

    在閱讀時的光亮與焦距之間的關系不是線性的,在光亮度非常低的地方,即使文字在我的視覺的焦距窗口之中,也仍然無法看清形狀。同樣地,如果光強度是理想的,但是文字不在我的焦距窗口之內,也是無法閱讀這些打印的文字的。

    在10G 光纖鏈路中,為了讓光接收機收到并讀懂光脈沖,我們需要確保光強度和“聚焦”之間的關系維持在一個理想的工作點。就如同隨年齡變化的視力一樣,老化的收發器也不得不受限于隨時間衰落的性能,相對于產品的初期使用而言,這時受到帶寬和損耗的影響會更加明顯。

    IEEE的模型模擬了幾個參數和由此構成的光接收機的性能,并闡述光脈沖通過光纖傳輸。康寧公司則使用改進了部分參數和康寧公司系統組件的相同模型,這個模型可以實現一個超越IEEE保守參數模型的更有信心的設計,允許擴展距離(更長的鏈路)和更高的通道損耗(更多連接)的解決方案。本文提供了一個對模型的深度解析和康寧的降階評估表輸出從而使系統設計師可以找到理想的臨界點和對于他們的網絡真正的極限。

2. 背景/初衷

    我們看到如表1所示,大約每5-7年LAN和SAN協議的傳輸速度有一個階躍變化的增長,但是系統設計師通常會因為要提升速率而被迫降低信道的長度和損耗。采用多模光纖標準,比如以太網和光纖通道通常定義了基于最長距離下的最大信道衰減,但是如果信道的損耗高于或距離長于給定的光纖類型上的規定值,那么這些標準是沒有提供相應的選項。表2總結了在數據中心中多模光纖上運行的較為常用的一些協議的最大信道距離和衰減極限值,如果使用合理的設計工具或者高性能的系統部件,即使在超過鏈路長度和衰減限值的情況下,也仍然是可以實現一個全速率傳輸的網絡。


表1: 市場支持以太網速率的服務器端口數與標準批準時間的對比


表2: 常用協議的最大信道長度/插入損耗

*IEEE中1G沒有定義OM3/4

3. 模型

這個討論聚焦點是IEEE對于10G bps以太網傳輸的要求,關于10GBase-SR(基于多模光纖上使用850nm VCSEL的10G bps)中定義的。盡管是專注于10G的標準,所討論的邏輯性也是適用于40G和100G以太網和光纖通道標準的限定。

基于OM3光纖上10G標準定義的工作臨界點(300米/2.6dB)是來自于IEEE的10G Base-SR(10G以太網)物理介質傳輸模型,這個模型是基于多個參數,包括但不限于光纖損耗,連接器插入損耗,光纖帶寬,色散,光源譜寬,光源中心波長,模式噪聲補償和接收靈敏度等。IEEE模型用于模擬以太網和光纖通道物理接口(FC-PI-5)所批準的8GFC和16GFC 光纖通道對大量的參數進行分析(上面列出的)預測出一些輸出參數和產生了這樣一個系統眼圖。

基本上,模型確認了每種協議接收的信號是優質信號,考慮到傳輸信號條件和到達接收器前可能發生的最大畸變。如果我們降低系統長度,那么可以獲得更多的余量用以增加連接數量并且依舊收到可接受的信號。問題是:信道插入損耗與長度的關系式怎樣的呢?非常不幸的是,他們不是線性的關系。因此,我們需要一個模型來幫助我們確認這些關系,IEEE 10GBase-SR的模型截圖如下所示。


圖1: 用于IEEE802.3,10GBase-SR的建模工具

4. 康寧損耗/距離降階評估表的理念

在IEEE 10G-Base-SR 模型中的數據假設了鏈路中部件的性能是最差的參數,包括了兩端收發器,物理布線介質等。通常而言,已發布的標準是依據這些保守的參數值情形而考慮的,僅僅是提供了一個插入損耗和距離關系的臨界點參考,如表2所示。

康寧公司提供的高性能無源產品是超越標準模型中的這些假設的,降階評估表提供了表2中運行距離和系統損耗的關系矩陣,這其中考慮了康寧公司產品所提供的始終如一的更高性能(特別是光纖損耗,光纖帶寬,連接器損耗),這些性能是超越標準模型中采用的部件的性能。另外,不同于標準表格中顯示的單一臨界點的數值,康寧公司的降階評估表提供了設計人員一套完整的損耗和距離相互關系的詳細說明,確保高質量的信號到達接收端和提供IEEE模型驗證。

信道損耗與長度之間的權衡是一個非線性的關系,康寧降階評估表中的值是使用相同的IEEE模型推算得出而作為標準的衍生數據,該模型考慮了系統中所有參數的非線性關系。此外,康寧降階評估表提供一系列明確的光纖類型鏈路的“理想臨界點”,這對于系統規劃人員在確保鏈路性能適用在IEEE系統默認的最大長度/最大損失限制之內是有幫助的,就如同基于OM3 光纖上傳輸10GbE 的2.6 dB/300米一樣,設計師需要的是確保鏈路可以在各種條件的信道上正常工作的信心,康寧公司降階評估表提供了這樣的保證。

5.支持使用這種理念的方法論

這樣一來,那些初次看到這個評估表的讀者,就會有問題要問,這種理念并非康寧獨有的,在標準內容中也已經包含了類似的表格。是的,在CENELEC 信息技術-通用布線系統:第5部分:數據中心(EN50173-5)4和光纖通道物理接口(FC-PI-5)中,我們也已經不再尋求長度和通道損耗的單一數據點,這對于無源布線而言是缺乏靈活性的設計指導,如表2所示。進而,我們發現使用降階評估表更加合適,它是基于通道長度上附加連接器的影響,這個結果在標準中是一個矩陣,提供了一系列的長度和信道損耗組合。這些長度和損耗的組合,數據中心設計師可以更加自如和自信地進行物理設計,不會感受到來自標準限定帶來的“約束”。

6.如何使用康寧的降階評估表


讓我們熟悉一下表格的主要區域:

A: 表格的頁眉表明表格適用的協議,協議選項有以太網和光纖通道。

B: 指明表中數值所適用的光纖類別,目前光纖類別有基于康寧標準的抗彎曲多模光纖的OM3和OM4光纖。

C: 表示傳輸速率,速率是與A欄中分別顯示的現行的協議所定義有關。

D: 這行表示在通道中MTP 連接的數量,表3提供了MTP 連接的舉例,這種連接可能是MTP/MTP連接或者MTP/MTP轉接模塊的連接,在康寧降階評估表和業界損耗的定義中,這兩類連接都是被認為是等同意義的連接,我們沒有假定最壞的MTP 連接器損耗而是采用基于康寧產品的統計分布的數據作為一對連接器的損耗。

E: 表格中的兩個值表示最大通道的長度和鏈路可以允許的損耗分貝,這不是傳統上使用最差光纖和連接器損耗的情況下的鏈路損耗預算。

上表中框圖部分的舉例中,我們想要確認鏈路中使用康寧OM3光纖,包含4對MTP 連接的DEGE產品時,10G以太網的信道限制。表格顯示了我們可以在最大允許損耗3.01dB的情況下成功地運行10G-Base SR達到320米。注意這個3.01dB是最大可允許的信道損耗,而不是通常由連接器和光纖最差值計算而得出的鏈路損耗預算。康寧降階評估表最大可允許損耗包括了那些與任何無源部件或功率損失無關的未分配的余量。

在表3中,對于所有的2到6對MTP連接器組合,10GbE的距離長度的數值都是保持不變的。這看起來似乎不符合邏輯,增加鏈路連接器數量就會增加信道損耗,從而影響或縮短信道長度,然而,當使用康寧的高帶寬和低損耗產品時,IEEE模型顯示可支持信道長度是保持不變的。記住,康寧降階評估表顯示的是最大的距離/損耗關系,對于320米這個距離,是因為總計為6對連接器而附加損耗較低導致的有限度的補償。

這種情形下的限值主要是和碼間串擾有關的功率損失有關并導致的,它是帶寬的一個函數。在1G和40/100G的限值都是由插入損耗和帶寬導致的,就如同我們看到連接器增加(與信道損耗有關)而距離長度減少的情形一樣。

當我年輕時,可以在明亮或者昏暗的情況下,近距離或近距離閱讀較小的文字,有能力在不同光亮和距離的情形下看清文字。相反地,我年齡增大后我的視力的敏感性下降,視力范圍受限,明顯地受到距離和光亮度的細微變化影響。同樣地,一個帶寬和信道插損有限的系統會因為長度的不同而顯著變化,由高性能部件組成的系統將會更加穩定,不會因為有源設備的局限而受到影響。


圖 2: 模塊化即插即用系統中的MTP連接


圖 3: 并行光學應用中的MTP連接

無論是什么系統,在使用康寧降階評估表時,MTP連接是被認為等同的,以上兩類系統中都是定義為4個MTP連接。

7. 結論

康寧降階評估表提供了設計人員在使用IEEE和Fiber Channel標準(表2)規劃系統運行臨界點時的一種選擇方法,表格提供了對于不同光纖類型、傳輸速率和連接數量上,一系列的系統支持的信道(距離/損耗)運行臨界點。

這個表格提供了對于如何獲得系統的深刻理解,表2列出了標準中最大距離定義和有源設備部件制造商保證的限值。然而,無法預料的挑戰是,設計人員必須考慮那些超過標準規定的限值的信道情形,康寧降階評估表可以允許設計人員確認那些超越標準限定之外的布線系統設計。

表格中的數值是基于IEEE模型推斷得出的,考慮了系統所有相關聯的參數,這些參數都是基于康寧產品(色散,帶寬,插損等)的典型值。在評估了眾多參數的相關依賴性,應用表格提供了使用康寧定義的光纖系列產品的信道臨界點。

這有助于系統設計人員規劃那些不在IEEE標準規定以外的參考臨界點(最大距離/最大損耗)。標準僅僅提供了單一數值,一個設計人員需要對那些運行在這一數值之外的情形更加有信心,表格的其他應用還包括光分路系統設計,有效衰減的介紹,可能超越IEEE 定義的限值等。





表 4: 基于康寧抗彎曲OM3/4光纖和MTP 連接器的光纖通道和以太網降階評估表

* 最大可支持的信道損耗

作者:康寧光通信  Doug Coleman 著,房毅 譯 
關鍵字: MTP 光纖網絡
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